用典型試驗提高材料成形專業教學的質量

鄧沛然　劉淑梅　吳文云　雍學超

摘要：一般的工科專業都會涉及到抽象的專業理論教學，如果沒有直觀的課內試驗輔助，學生對這些專業教學的理解往往停留在機械記憶和抽象的邏輯分析上，難以形成真正的專業能力和知識。在材料成形專業的教學中，我們通過細化晶粒的變質凝固試驗，讓學生在自己動手與觀察的基礎上獲得了第一手的感性認識，提高了學生對液態成形和塑形性能控制等重要專業知識的理解與掌握。這些處于眾多重要知識結合區的課內試驗在提高教學效果上有著事半功倍的效果。

關鍵詞：典型試驗；細化晶粒；理解；材料成形；教學

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）48-0205-03

目前，大學一般工科專業的課程設置非常多，學生大量時間用于課堂學習。理論學習時間過多，對于學生吸收知識是不利的，而課內試驗的開展有利于學生獲得感性認識，從而鞏固所學的理論知識。由于課程較多，以及實驗條件的限制等原因，充分的試驗安排在目前條件下也是不現實的。課內試驗的開展，應優先選擇那些能夠凝聚重要知識要點的試驗項目，通過較為直觀的實驗將那些對學生來說比較抽象的理論知識進行串聯，從而做到在有限的課內實驗中，涵蓋較廣的知識面，以發揮較好的教學效果。

一、材料加工課內試驗的選擇

材料的制備機理與材料的性能是材料加工專業重要的基礎內容。其中的理論分析比較抽象，讓毫無專業實踐的學生難以接受。在一般金屬材料的制備中，一般希望獲得細化的等軸晶、細晶材料的制備是材料加工領域的重要內容。這一加工領域又與材料液態成形的成分過冷、異質形核等重要概念密切聯系。成分過冷在液態金屬凝固中對材料的組織形成和溶質原子的分布起著重要的作用，但成分過冷理論對組織形成的作用機制比較抽象，學生一般無法透徹理解。對于成分過冷是如何影響組織形成的，學生就更難以知曉其中的機理。材料的塑性與材料成分、組織和晶粒的尺寸密切相關，晶粒越細小，材料的塑形一般越好；在材料的性能測試中，涉及到的性能指標有延伸率、斷面收縮率、沖擊韌性，相聯系的知識點有應力、應變曲線和真實應力、應變曲線等內容。組織的細化，則成為一個將液態成形和塑形成形兩個板塊的內容聯系在一起的紐帶。在凝固過程中，對材料進行變質處理，提高材料在凝固過程的形核率，從而實現材料組織的細化。變質處理，已經成為目前液態成形和冶金鑄造行業最通用的材料加工手段。將材料的液態成形過程中的變質處理引入到學生的課內試驗，具有知識涵蓋面廣、重點突出的特點。變質處理的試樣進行材料組織與力學性能的比較，可以直觀而全面地將上述內容展示給學生，這樣的課內試驗具有很好的綜合性。

二、試驗的進行

試驗選擇Cr12鋼的晶粒變質細化為實驗對象，Cr12冷作模具鋼屬于高碳高鉻類萊氏體鋼，這類鋼因含有較高的C和大量的Cr，在鑄造過程，在晶界上易出現粗大網狀共晶碳化物以及魚骨狀碳化物，使鋼的強度和韌性明顯降低，嚴重縮短了模具使用壽命。在鑄造過程中，加入鉀鈉活性變質劑，由于鉀、鈉的活性很高，使得在凝固過程中，更易于形成新的形核襯底，起到凈化鋼液、細化晶粒、強化基體、改變夾雜物形態的作用，從而達到提高強韌性和耐磨性、改善鋼的綜合力學性能的目的。在課內實驗之前，教師首先要求學生溫習材料成分和組織對Cr12鋼性能的影響的知識點。試驗在真空中頻感應熔煉爐內進行，由學生自己操作。在感應爐中，分5組熔煉低碳A3鋼和按標稱化學成分加入的鉻鐵等，先將設備抽真空到0.1Pa，然后向真空爐內充入惰性氣體氬氣至0.06MPa，熔煉時先預熱，然后逐步提高功率，在材料完全熔化后，降低功率保溫，控制好熔體的溫度，既要保證液態熔體的流動性，同時熔體溫度超過熔點的過熱度又不能過大。在熔煉過程即將澆鑄時，控制好爐溫，分別加入質量分數0%、0.02%、0.04%、0.06%、0.08%的鉀鈉變質劑，再澆入直徑為20mm、高度為200mm的型腔內，得5組試樣。在實驗過程，教師注意向學生指出，真空熔煉時向爐內灌入氬氣的必要性：防止液相揮發；加熱時逐步升溫的必要性：防止升溫時坩堝爐襯的溫差應力過大，提高坩堝的使用壽命；控制熔體溫度的必要性：降低對異質的熔化，提高形核率。教師將學生分為5組，分別對每組試樣進行退火處理，降低硬度和內應力；再進行機械加工，分別加工出拉伸試樣、沖擊試樣和磨損試樣。教師對每一組的試樣分別進行觀察金相組織、拉伸試驗、沖擊試驗和磨損試驗。

三、實驗結果與理論預期

由學生取樣，對試樣進行研磨、拋光，再拍攝金相顯微照片。不同組的鑄態金相圖顯示，未加變質劑的試樣，晶粒相對粗大，且在試樣邊緣較先凝固區域柱晶組織較明顯；加入了鉀鈉活性變質劑之后，試樣的晶粒明顯變細，而且隨著鉀鈉變質劑含量的增加，晶粒隨之變小，但當鉀鈉變質劑含量為0.08%時，出現更為明顯的共晶碳化物，沿著晶界分布。通過對比，表明加入的鉀鈉變質劑的含量在0.06%左右時能起到良好的細化晶粒作用，含量過高則會在境界上重新生成碳化物，并連成網狀，造成組織上的缺陷。對試樣進行拉伸試驗。我們可以發現，鉀鈉變質劑含量由0.02%增加到0.04%，材料的抗拉強度明顯增強，鉀鈉變質劑含量由0.04%增加到0.06%時，抗拉強度稍微增強，但不明顯。鉀鈉變質劑含量由0.06%增加到0.08%時，鑄造后，殘余應力大，使試樣表面出現裂紋，抗拉強度反而急劇的下降。試驗結果表明，鉀鈉變質劑能一定程度提高材料的抗拉強度，其含量在0.04%～0.06%時最為合適，能明顯地增強Cr12的抗拉強度。對試樣進行磨損試驗。未加鉀鈉變質劑的試樣在磨損時損失的質量較大，加入鉀鈉變質劑后，試樣損失的質量明顯減少。試驗結果表明，加入鉀鈉變質劑能增強Cr12鋼的耐磨性。但隨含量的改變，耐磨性改變不是很明顯。實驗結果表明，在Cr12鋼的鑄造過程中加入0.04%～0.06的鉀鈉變質劑，能有效地改善Cr12鋼的鑄造工藝。鑄造過程中，未加鉀鈉變質劑的Cr12鋼組織粗大，晶界上存在碳化物，力學性能受到一定的影響。加入一定的鉀鈉變質劑，隨著鉀鈉變質劑含量的增加，晶界上的碳化物明顯減少，晶粒變小，試樣的抗拉強度、硬度、耐磨損性能都有所增強。所加入鉀鈉變質劑含量在0.04%～0.06%時，效果特別明顯。當加入的鉀鈉變質劑含量增加至0。08%時，晶界上重新出現了大量的碳化物，并且鑄造后所存在的組織應力大，試樣表面出現裂紋，造成試樣的抗拉強度急劇下降。凝固前對材料的變質處理的實驗結果非常清晰明確地反映了異質形核的基本機理，將不可見的物質凝固相變過程較為直觀地展示給學生。這是一個凝聚了眾多重要專業知識和基本原理的課內實驗，且實驗的形式簡單、重復性好、結果直觀，易于被學生理解。endprint

四、實驗驗證與問題解答

針對實驗的金相圖片和性能檢測結果。我們設置如下問題：①為何晶粒細化能導致材料硬度和強度提高？②磨損性能的提高與材料的哪些特性有關？③在材料特性的工藝中，變質劑起到何種作用？是否加入越多越好？請根據實驗結果說明原因。④為何未加變質劑的試樣中柱晶組織相對較發達，而在試樣中部最后凝固區域等軸晶才是主要組織？⑤在材料的強度測量時，名義應力應變曲線與真實應力應變曲線有何區別？材料的塑性指標還有哪些？這些問題的解答都較為抽象。但學生通過對金相圖片與測試數據的直觀觀察，對抽象的理論解釋就非常容易接受。如通過對粗晶和細晶的金相圖觀察，細晶圖中晶界顯得更為明顯，這顯示了常溫時由于晶粒細化導致的晶界強化機制使材料硬度和強度都得到提高；而圖片上顯示由于晶粒細化，共晶碳化物也相應有所變細，晶粒細化使基體得到強化，而共晶碳化物的細化使其在與外界磨削的過程中不易剝落，因而材料的磨損性能得到提高。變質劑的根本作用是起著異質形核作用，但如果異質過多，未參與異質形核的變質劑，由于其熔點較低，在最后凝固的過程中往往析出在晶界，并以共晶碳化物的形態出現，使共晶碳化物的體積增大，因而過多的變質劑是不利于材料性能的。未加變質劑的試樣在其中部等軸晶也較發達，這是由于成分過冷的原因，但由于液相中缺乏有效的形核襯底，柱狀晶易沿熱流方向生長，在有各向同性力學性能要求的材料制備中，這種柱晶是不利于材料性能的。在課程教學中，學生對名義應力應變曲線與真實應力應變曲線的區別只能通過機械地記憶書面解釋；在試驗中通過觀察試樣被拉伸斷裂及試樣局部區域橫截面積的縮小，這兩個概念的區別一目了然。真實應力應變曲線是拉伸時不斷變細的單位橫截面的實際受力狀況，而名義應力應變曲線是基于截面不變的試樣。通過力學性能的比較，學生對屈服強度、抗拉強度、沖擊韌性和硬度等概念的理解將由機械記憶轉為理解記憶，如觀察Cr12鋼應力應變曲線時，當應力曲線升至一個峰值再陡然下降對應的應力峰值就是抗拉強度，在這曲線陡變的瞬間，可以看到拉伸試驗機上的試樣在一聲清脆的響聲中斷裂，由此學生自然能理解抗拉強度是材料不被破壞所能承受的最大應力值，所對應的外部載荷就是其極限承載力。這種基于理解的記憶將伴隨學生的一生，而不會考完就忘。直觀實驗的比較，使學生對專業材料的相關理論認識擺脫機械記憶的方式，從而提升其學習效果。對于部分有鉆研精神的學生，這一實驗使其對部分專業的理解能達到較高的專業水準。

五、基于實驗的課堂理論再提高

細化晶粒在材料成形課程中，被直接描述的內容并不多，但這方面的內容與方向卻是一個持續性不斷發展的材料加工專業核心領域。材料加工液態成形基本原理的許多內容都是與此相關：界面張力與潤濕，均質形核與異質形核及其相關的熱力學與動力學，異質形核率的影響因素，成分過冷及其對晶體生長形態的影響，鑄件的宏觀組織分布與等軸晶的形成等。但是，這些內容在教科書上基本都是陳列在與液態成形的相關章節里，即便是優秀的學生對這些基本理論的理解都是停留在孤立的邏輯分析中，對在實踐中這些基本理論與細化晶粒的直接關系則茫然無知。這種認識上的缺失必然導致對理論的片面學習，機械記憶則成為維持片面學習的基本手段，而機械記憶在學習和工作的過程中最難以持久。我們在教學中經常發現這樣的情況。比如，研究生面試，在筆試中有學生完整地答出了某概念（一般考前圈定了復習范圍），過幾天面試，問該同學同樣問題，有時竟回答不出，而一般考研能過關的學生在大學中多屬優秀學生。靠純填鴨式進行的專業教學，既枯燥又難以提高教學中專業理論的授課深度。在進行課內實驗過程中，學生們親自按比例稱量變質劑，熔煉時觀察到白亮的鋼水翻滾（這種場景是具有顯著的刺激性而給學生帶來持久的記憶），凝固后親自打磨試樣并觀察到不同變質劑含量的試樣在組織分布與晶粒尺寸上的差異，然后拉伸實驗機旁聽到自己澆注出來的試樣發出刺耳清脆的斷裂聲音等。有了這種直觀的試驗認識和感知，在課堂上進一步的理論深入才有較好的效果。

如變質劑能使凝固過程中的金屬材料細化，但是否任何異質加入都會使材料的晶粒明顯細化呢？這點從表面張力與潤濕的關系可以很好地得到解釋。只有熔體液相與異質固相的界面張力相對小的形核劑才可能在加入液相后與液相較好的結合，起到作為異質襯底的作用，從而提高形核率細化晶粒。成分過冷與變質劑又有何關系呢？由于成分過冷，導致凝固時液固界面的溶質富集，使液固界面向液相內部延伸的枝晶根部的熔點降低，在液相對流的作用下會導致枝晶的脫落、再熔斷和熔體內部晶粒增值，這些增值的晶粒將成為新的形核晶粒，從而增加凝固過程的形核率使晶粒細化。變質劑的作用無非是通過兩個渠道實現形核率的提高：①自身或通過化合形成與液相有良好潤濕關系的異質襯底；②提高材料液固界面的成分過冷以提高材料形核率。由此，教師在教學中要進一步闡明，成分過冷不僅影響形核率，而且還將影響晶體的生長形態從而影響材料性能等知識。這些理論的提高在大學金屬材料加工專業的教學中是必須的，但只有學生對細晶的形成有著感性認識，通過感性與理論理解的結合才能實現這一提高。

六、結論

基礎專業理論課程，應輔以典型的課內試驗支持來提升其教學效果。在金屬材料成形專業中，用變質處理的方法細化晶粒的試驗易于進行且具有很好的直觀性，這一試驗涵蓋了廣泛的專業基礎理論內容，且將實際應用和重要的抽象的專業理論緊密地聯系起來。這樣的試驗可有效地提高學生對材料成形相關內容的理解，從而為相關專業基礎理論的教學深入打下良好基礎。endprint